小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優(yōu)化

羅 欣，劉錦平,2，朱 暉，陳進(jìn)方，葉酈峰，付 俊

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 南昌 330096；2. 江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優(yōu)化

羅 欣1，劉錦平1,2，朱 暉1，陳進(jìn)方1，葉酈峰1，付 俊1

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 南昌 330096；2. 江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

當(dāng)今空調(diào)銅管的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為小口徑、薄壁，小彎頭管在彎制過(guò)程中易出現(xiàn)管口扁平、外側(cè)管壁開(kāi)裂和內(nèi)側(cè)起皺等缺陷。采用DEFORM有限元軟件分析了銅管彎制過(guò)程中缺陷產(chǎn)生原因，并對(duì)芯桿位置和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明：當(dāng)彎曲角度為180°時(shí)，銅管易產(chǎn)生外側(cè)裂紋，并由外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展；在彎曲角度為0~90°范圍內(nèi)銅管內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；Φ7×0.41mm銅管彎曲時(shí)較優(yōu)的芯桿直徑為5.80mm，提前量為2mm。根據(jù)以上參數(shù)，對(duì)銅管進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，并沒(méi)有出現(xiàn)外裂、內(nèi)皺和扁平等缺陷，獲得了優(yōu)良的小彎頭管。

小彎頭管；缺陷；芯桿；提前量；彎曲角度

1 引言

銅管廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷行業(yè)的“兩器”（蒸發(fā)器、冷凝器）和連接管件。無(wú)論哪種用途，它都是制冷劑的重要通道。小彎頭銅管主要用于“兩器”的連接管：內(nèi)螺紋銅管彎制成長(zhǎng)U管后穿入帶孔的鋁箔，管與管之間需要用小彎頭銅管連接起來(lái)，制成“兩器”［1］。目前，為了增強(qiáng)銅管的換熱效果和降低生產(chǎn)成本，許多企業(yè)對(duì)空調(diào)銅管的徑厚比及齒形提出了較高的要求，其發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為小口徑、薄壁和瘦高齒等，因此用于小彎管的光面銅管尺寸趨向φ7×0.41mm以下［2-4］。這一要求使得銅管在彎制過(guò)程中易出現(xiàn)“U”型處扁平率大、外側(cè)管壁減薄量過(guò)大、外側(cè)開(kāi)裂和內(nèi)側(cè)起皺等缺陷［5-7］。經(jīng)查閱，小彎頭管的彎制成形研究國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)報(bào)道，其工藝技術(shù)尚無(wú)合適的資料可參考借鑒。因此，研究分析小彎頭管缺陷形成原因和彎曲成形工藝對(duì)于提高小彎頭管生產(chǎn)的穩(wěn)定性和成品率具有極其重要的意義。

管材彎曲成形過(guò)程是利用壓力裝置和模具使管材發(fā)生塑性變形，從而獲得成形或制品［8-9］。整個(gè)彎曲成形過(guò)程較復(fù)雜，難以從實(shí)驗(yàn)階段入手分析。故本文擬采用DEFORM有限元軟件對(duì)彎曲成形過(guò)程進(jìn)行工藝優(yōu)化，并從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)理論工藝進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 DEFORM有限元數(shù)值模擬過(guò)程

Deform數(shù)值模擬過(guò)程主要包括三個(gè)階段：前處理、運(yùn)行和后處理過(guò)程。銅管彎曲過(guò)程模型如圖1所示。模型由壓板、芯桿、導(dǎo)輪和銅管四部分構(gòu)成。其中壓板、芯桿、導(dǎo)輪均為剛性體，銅管為塑性體。根據(jù)銅管壓彎成形對(duì)稱特點(diǎn)，選取1/2銅管進(jìn)行分析。將銅管劃分80000個(gè)單元網(wǎng)格，單元類(lèi)型為四面體單元。在銅管彎曲變形過(guò)程中，壓板和芯桿都發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)中心為導(dǎo)輪的中心，而導(dǎo)輪則固定不動(dòng)。

圖1 銅管彎曲模型

2.2 彎管試驗(yàn)

采用TBSU5-5/Q彎管機(jī)對(duì)Φ7×0.41mm銅管進(jìn)行彎管試驗(yàn)。一次彎曲5個(gè)銅管，彎管速度為3rad/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彎管缺陷分析

銅管材彎曲變形時(shí)，根據(jù)塑性變形體積不變的原理，中性層內(nèi)外側(cè)發(fā)生壓縮和拉伸。管材在外力作用下彎曲時(shí)，中性層外側(cè)的材料受到拉應(yīng)力作用，使管壁減薄，導(dǎo)致銅管外側(cè)產(chǎn)生裂紋（圖2a）；內(nèi)側(cè)的材料受到壓應(yīng)力作用，使管壁增厚，從而在銅管內(nèi)側(cè)易失穩(wěn)出現(xiàn)皺紋缺陷（圖2b）。而且，外側(cè)拉應(yīng)力合力向下，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力的合力向上，銅管橫截面在受壓情況下，法向直徑縮小、橫向直徑增大而由圓形變成橢圓形。

圖2 銅管彎曲缺陷

圖3 所示為銅管在彎曲過(guò)程中最大等效應(yīng)力的變化過(guò)程。由圖可知，在銅管彎曲過(guò)程的中，最大等效應(yīng)力均位于銅管的外側(cè)，而且最大等效應(yīng)力的位置隨著彎曲程度的增加而發(fā)生移動(dòng)（圖中箭頭所示）。這說(shuō)明在銅管的外壁較易產(chǎn)生裂紋，而且裂紋發(fā)生的位置會(huì)隨著彎曲而發(fā)生變化。當(dāng)彎曲角度為180°時(shí)，最大等效應(yīng)力值的范圍最寬，在此處最容易發(fā)生外裂。而且，裂紋的擴(kuò)展方向是由外側(cè)向內(nèi)側(cè)（圖2a）。

圖3 銅管彎曲成形過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)

圖4 所示為銅管在彎曲過(guò)程中各質(zhì)點(diǎn)的位移矢量圖。由圖可知，當(dāng)彎曲角度為45°時(shí)，在彎曲部位處質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)方向呈現(xiàn)螺旋形；當(dāng)彎曲角度增至90°時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)移動(dòng)至銅管內(nèi)側(cè)。質(zhì)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)易使多個(gè)質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)側(cè)堆積，從而產(chǎn)生壁厚增加現(xiàn)象，而且易導(dǎo)致出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象；當(dāng)彎曲角度增至135°和180°時(shí)，彎曲處質(zhì)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)消失。這說(shuō)明銅管彎曲的內(nèi)皺現(xiàn)象易發(fā)生在0~90°的范圍內(nèi)（圖2b）。

3.2 芯桿大小和位置

銅管彎曲過(guò)程中外側(cè)壁厚減薄易產(chǎn)生外裂，內(nèi)側(cè)壁厚增厚易產(chǎn)生皺紋。同時(shí)，銅管壁厚的變化與芯桿尺寸和位置具有明顯的相關(guān)性。本文研究了芯桿尺寸和芯桿位置對(duì)管材壁厚變化和扁平度的影響。其中，芯桿的扁平度的大小通過(guò)彎曲后銅管的最小直徑來(lái)度量，扁平度與最小直徑成反比關(guān)系。工藝條件如表1所示。

圖4 銅管彎曲成形過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及局部放大圖

表1 芯桿直徑和位置

（1） 芯桿位置的確定。

圖5所示為芯桿直徑為5.8mm~6.0mm時(shí)，不同提前量對(duì)管材內(nèi)側(cè)壁厚變化影響規(guī)律。

圖5 芯桿提前量對(duì)內(nèi)側(cè)壁厚的影響

由圖可知，當(dāng)提前量位于-2mm~+2mm區(qū)間時(shí)，管材的壁厚變化不明顯，內(nèi)側(cè)壁厚約為0.50mm。當(dāng)提前量大于2mm時(shí)，壁厚變化呈較明顯遞減趨勢(shì)。壁厚波動(dòng)幅度較大，從而易導(dǎo)致銅管產(chǎn)生失穩(wěn)而起皺。因此，從銅管內(nèi)側(cè)壁厚變化可知，芯桿較優(yōu)的提前量為-2mm~+2mm。

圖6所示為芯桿直徑為5.8mm~6.0mm時(shí)，不同提前量對(duì)管材外側(cè)壁厚變化影響規(guī)律。

圖6 芯桿提前量對(duì)外側(cè)壁厚的影響

由圖可知，當(dāng)提前量位于-2mm~+2mm區(qū)間時(shí)，管材的壁厚變化較小，外側(cè)壁厚約為0.32mm；當(dāng)提前量達(dá)到2mm時(shí)，外側(cè)壁厚表現(xiàn)為最大值；當(dāng)提前量大于2mm時(shí)，壁厚產(chǎn)生了較明顯減薄，從而使其易出現(xiàn)裂紋。由此可知，從銅管外側(cè)壁厚變化可知，銅管彎曲過(guò)程中芯桿較優(yōu)的提前量為2mm。

圖7所示為芯桿直徑為5.8~6.0mm時(shí)，不同提前量對(duì)管材扁平度變化影響規(guī)律。

圖8 芯桿直徑對(duì)管材內(nèi)、外側(cè)壁厚和扁平度的影響

由圖可知，當(dāng)芯桿直徑為5.80mm~5.90mm時(shí)，內(nèi)外壁壁厚尺寸較為穩(wěn)定；當(dāng)芯桿直徑增至為5.95mm時(shí)，內(nèi)側(cè)壁厚減薄，外側(cè)壁厚變化不明顯；當(dāng)芯桿直徑增至為6.00mm時(shí)，內(nèi)側(cè)壁厚略為減薄，外側(cè)壁厚減薄較為顯著。而銅管最小直徑表現(xiàn)為隨著芯桿直徑增加而減小，因此扁平度逐漸增加。由此可知，較優(yōu)的芯桿直徑為5.80mm，芯桿提前量為2mm。

為驗(yàn)證上述所優(yōu)化的理論參數(shù)，對(duì)直徑為7mm、壁厚為0.41mm的銅管進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，獲得了優(yōu)良的小彎頭管，并沒(méi)有出現(xiàn)外裂和內(nèi)皺缺陷，如圖9所示。

圖9 小彎頭管

由圖可知，當(dāng)提前量位于-2mm~+2mm范圍時(shí)，隨著提前量增加，最小外徑增加，扁平度逐漸減小；當(dāng)提前量位于2mm~8mm范圍時(shí)，隨著提前量增加，最小外徑值減小，扁平度急劇增加。這說(shuō)明當(dāng)芯桿提前量為2mm時(shí)，銅管彎曲時(shí)的扁平度最小。綜合上述可知，銅管在彎曲的過(guò)程中較優(yōu)的芯桿提前量為2mm。

（2）芯桿尺寸的確定。

為進(jìn)一步確定芯桿的尺寸，本文以提前量為2mm分析芯桿尺寸對(duì)變形后銅管壁厚和扁平度的影響。圖8為不同芯桿直徑對(duì)銅管內(nèi)側(cè)、外側(cè)壁厚和扁平度的影響。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)彎曲角度為180°時(shí)，最大等效應(yīng)力值的范圍最寬，銅管外側(cè)最容易產(chǎn)生裂紋，并由外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展；

（2）銅管在彎曲角度為0~90°的范圍內(nèi)由于質(zhì)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)皺缺陷，當(dāng)彎曲角度增至135°和180°時(shí)，彎曲處質(zhì)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)消失；

（3）銅管彎曲變形時(shí)較優(yōu)的芯桿直徑為5.80mm，芯桿提前量為2mm。在此工藝條件下可獲得品質(zhì)較優(yōu)的小彎頭管。

［1］毛錫韶. 家用空調(diào)用銅管翅片式換熱器制造工藝簡(jiǎn)介[J]. 日用電器, 2013,10:62-64

［2］李紅安, 王世中, 魯長(zhǎng)建, 等. 制冷空調(diào)設(shè)備用銅管的發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷與空調(diào), 2014, 12,13-16.

［3］Murata M, Yamamoto S. Development of bending CNC machine for circular tube[C]. Proceeding of the fourthconference on technology of plasticity, International Academic Publisher: Beijing, 1993(1):435-440.

［4］冼志健, 王開(kāi)發(fā). 小管徑銅管換熱器的性能及成本分析[J]. 制冷與空調(diào), 2013(5):65-66.

［5］Tang D, Li D Y, Yin Z W.Roles of surface booster system on bending of thin-walled Copper tube[J]. Journal of Material Engineering and Performance, 2009, 18(4):369-377.

［6］熊雙奎. 空調(diào)制冷銅管在使用過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題[J]. 有色金屬加工, 2009, 38(1):35-38.

［7］韓聰, 苑世劍. 管材數(shù)控彎曲中的起皺分析與控制[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2009, 16(2):1-4.

［8］ Pan K, Selson K A. On the plastic deformation of a tube during bending[J]. Journal of Engineering for Industry Transactions of the ASM E, 1995, 117:494-499.

［9］溫彤, 豐慧珍, 艾百勝. 管材繞彎變形的理論與實(shí)驗(yàn)分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 29(12):8-12.

［10］趙剛要. 薄壁矩形管繞彎成形失穩(wěn)起皺的數(shù)值模擬[D]. 西北工業(yè)大學(xué), 西安, 2007.

The Defects Analysis of Small Elbow Tube and Its Optimization of Bending Process

LUO Xin1, LIU Jin-ping1, 2, ZHU Hui1, CHEN Jin-fang1, YE Li-feng1, FU Jun1
（1. Jiangxi Copper Corporation, Nanchang 330096, Jiangxi, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000 , Jiangxi , China）

Small diameter and thin wall tube is a trend of development for air-conditioner pipe now, the outside crack, inside wrinkle and orifice flat easily appear during a small elbow pipes preparation. The causing reason of copper tube defects was analyzed and the position and size of core was optimized. These results show that the cracks easily occur at outside and expand towards inner when the bend angle is 180°, the wrinkles appear at the inner of tube during the angle of 0~90°. The optimal parameter is 5.80 mm core diameter and 2 mm ahead for Φ7×0.41mm copper tube. According to these parameters during bending tube experiments, the defects of outside crack, inside wrinkle and flatness were basically eliminated and the excellent tubes were obtained.

small elbow tube；defects；core；ahead；bending angle

TG339

A

1009-3842（2015）05-0001-04

2015-08-14

羅欣（1967-），女，北京人，大學(xué)本科，主要從事銅及銅合金加工技術(shù)管理工作。E-mail:xuzhiqi917@sina.com